甲烷氧化菌在一碳化工中的应用前景及其研究现状研究.pdf

甲烷氧化菌在一碳化工中的应用前景及 其研究现状术 邢新会 清华大学化工系生物化工研究所，北京100084 关键词：甲烷氧化菌，一碳化工，高密度培养，异源表达，混合培养 1 前言 随着近年来国民经济的发展，我国石油消费一直呈上涨趋势，研究开发以一碳资源替 代石油作为原料的新的化学生产工艺，对于我国这样一个煤多、油少、甲烷资源丰富的国 家，有着格外重要的意义。一碳化工旨在转化含有一个碳原子的化合物，如甲烷、二氧化 碳、甲醇、一氧化碳、氢氰酸等，以生产液体燃料和化学品；同时，一碳化学品可以进一 步合成一系列重要的化工产品。一碳化工重点研究的甲烷、二氧化碳是自然界中最稳定的 小分子，对其分子进行化学活化及转化目前仍非常困难。然而，在自然界中有一类微生物， 可以在甲烷、甲醇等碳一化合物中生长，被称为碳一微生物。研究者用甲烷、甲醇等培养 生产各种菌体，可以获得特殊的产物。而在碳一微生物中，又以甲烷氧化菌的研究最受人 们的关注。甲烷氧化菌(Methanotrophic 一的生长碳源和能源的微生物。其内部含有特殊的酶系一甲烷单加氧酶(Methane 酶系作用下最终氧化为C02和H20。自然界中有两种甲烷单加氧酶¨，一种是分泌在周质 空间中的可溶性甲烷单加氧酶sMMO，另一种是与细胞膜结合的颗粒状单加氧酶pMMOo 甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一个分支，其独特之处在于其能利用甲烷作为唯一的碳源 定了100多种能利用甲烷的细菌，奠定了现代甲烷氧化菌分类的基础。根据形态差异、休 眠阶段类型、胞质内膜精细结构和一些生理特征的不同，可以将甲烷氧化菌分为三类，即 I型甲烷氧化菌、Ⅱ型甲烷氧化菌和介于二者之间的x型甲烷氧化菌。该类微生物是革兰 氏阴性、耗氧，广泛存在于农田、森林、草地、湖泊、沼泽、地下水、海洋等环境中劲， 许多极端环境中也有甲烷氧化菌的存在。甲烷在甲烷氧化菌中的代谢途径如图1所示。 ‘国家自然科学基金重点项目(No及中石油gl-／支gt险创新项目 ·46· 甲烷氧化菌不仅能氧化甲烷生成甲醇，还能将正构烷烃、酯、环烃、芳香化合物和杂 环化合物羟基化，烯烃环氧化并能氧化降解卤代烃(图2)o甲烷氧化菌因其独特的催化特 性，在减少生态系向大气的甲烷排放量、降低垃圾填埋场等产生的甲烷、大宗的化学品生 产、有机污染物方面降解以及煤矿和气田瓦斯气体的安全控制方面具有巨大的应用潜力。 然而甲烷氧化菌工业应用的瓶颈问题是甲烷氧化菌生长速率慢及细胞密度低，培养操作困 难及难以实现高密度培养。因此，建立甲烷氧化菌的大规模高效培养技术是利用MMO进 行一碳转化的前提。解决这一问题的思路有两个：1)建立适合于甲烷氧化菌的快速高密度 培养体系；2)在工业微生物中进行异源表达甲烷氧化菌的关键酶，从而实现重组菌高密度 培养及其一碳生物转化的两步培养体系。本文以这两个思路为主，介绍甲烷氧化菌的生物 化工研究进展。 妻()2 Ⅳ20 C() 图1 甲烷氧化菌的主要代谓|途径 图2 甲烷氧化菌在大宗化学品的生产中的应用 ·47· 2 甲烷氧化菌的必威体育精装版研究进展 2．1 添加有机物质促进甲烷氧化菌的生长3’ M OB3b属于Ⅱ型甲烷氧化菌，通过丝氨酸途径代谢甲醛合成细胞物 trichosporium 质，且该菌拥有完整的三羧酸循环途径(简称TCAo因此，本论文考察了氨基酸、维生 OB3b 素和有机酸等丝氨酸途径和TCA相关化合物的添加对甲烷氧化菌坛trichosporium 生长的影响，目的是通过添加外源物质强化甲烷氧化菌的合成代谢途径，促进细胞生长， 提高细胞浓度。实验发现顺丁烯二酸、琥珀酸、柠檬酸和苹果酸的添加可以促进M OB3b细胞生长，其中以添加柠檬酸对细胞生长的促进作用最大，当添加浓 trichosporium 度为15mM时，细